胡瑋 馮曉波 朱銳 陳清 郭永鑫 郭新蕾

摘要：南水北調(diào)中線(xiàn)工程冬季閘門(mén)小開(kāi)度運(yùn)行，閘后淹沒(méi)水躍紊動(dòng)劇烈，為驗(yàn)證小開(kāi)度下閘門(mén)運(yùn)行的安全性，選取蒲陽(yáng)河典型節(jié)制閘開(kāi)展閘門(mén)振動(dòng)原型觀(guān)測(cè)。通過(guò)測(cè)量不同開(kāi)度下的閘門(mén)振動(dòng)特性，分別采用動(dòng)應(yīng)力、振動(dòng)位移（振幅）和頻率作為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行振動(dòng)安全評(píng)價(jià)，結(jié)果表明：閘門(mén)最大動(dòng)應(yīng)力為133 MPa，遠(yuǎn)小于材料允許應(yīng)力的20%（約32 MPa）；最大振動(dòng)位移1597 μm，小于閘門(mén)振動(dòng)危害程度可忽略不計(jì)的上限位移508 μm；所有測(cè)試工況的安全臨界振幅A與頻率f滿(mǎn)足lgA<（314-116 lgf）。上述三種評(píng)價(jià)準(zhǔn)則的判定結(jié)果一致，因此，中線(xiàn)閘門(mén)小開(kāi)度淹沒(méi)出流條件下，閘后水躍紊動(dòng)引起的閘門(mén)振動(dòng)危害可忽略，閘門(mén)結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：弧形閘門(mén)；小開(kāi)度；動(dòng)應(yīng)力；振動(dòng)位移；安全評(píng)價(jià)；原型觀(guān)測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)：TV32 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：

16721683（2018）05013905

Field tests and safety evaluation of radial gate vibration under small opening condition in the Middle Route of SouthtoNorth Water Diversion Project

HU Wei1，F(xiàn)ENG Xiaobo1，ZHU Rui1，CHEN Qing1，GUO Yongxin2，GUO Xinlei2

（

1.Supervision Center of SouthtoNorth Water Diversion Project，Beijing 100038，China；2.China Institute of Water Resources & Hydropower Research，Beijing 100038，China

）

Abstract：

In winter，the controlling gates of the Middle Route of SouthtoNorth Water Diversion Project are operated under small opening condition.The submerged hydraulic jump is accompanied by severe turbulence behind the sluice gates.To evaluate the safety of gate operation under small opening condition，we conducted field tests on the Puyang River Gates and measured the parameters of gate vibration under the conditions of different gate openings.The test results indicated that the maximum dynamic stress of the gates is 133 MPa，smaller than 20% of the allowable stress，i.e.about 32 MPa.The maximum vibration displacement 1597 μm is less than the upper limit displacement 508 μm，below which the hazard of gate vibration can be negligible.The relation between amplitude A and frequency f follows lgA<（314-116 lgf）.The evaluation results of the above 3 kinds of criteria are consistent；therefore，the hazard of gate vibration induced by submerged hydraulic jump is negligible，and the gate structure is safe and stable when the sluice gates are operated in small opening condition.

Key words：

radial gate；small opening；dynamic stress；vibrational displacement；safety evaluation；field test

南水北調(diào)中線(xiàn)工程是實(shí)現(xiàn)南北水資源合理配置，緩解京、津、華北平原水資源供需矛盾，支撐該地區(qū)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重大戰(zhàn)略性基礎(chǔ)設(shè)施。中線(xiàn)工程運(yùn)行初期取水流量較小，尤其是冬季受冰情影響，行程6～7 m的閘門(mén)開(kāi)度僅為幾十厘米或1 m左右，閘門(mén)長(zhǎng)期在小開(kāi)度淹沒(méi)出流條件下運(yùn)行[12]，閘后淹沒(méi)水躍紊動(dòng)劇烈，形成向上游劇烈反轉(zhuǎn)的漩渦和往復(fù)水流，對(duì)閘門(mén)產(chǎn)生周期性的沖擊，見(jiàn)圖1。

閘門(mén)與動(dòng)水接觸時(shí)，總會(huì)出現(xiàn)不同程度的振動(dòng)，一般情況下，閘門(mén)振動(dòng)主要表現(xiàn)為水動(dòng)力荷載作用下的低頻振動(dòng)，振動(dòng)比較微弱，不致影響閘門(mén)的安全運(yùn)行[35]。但在某些特定運(yùn)行條件下，如果水流的脈動(dòng)頻率接近閘門(mén)的自振頻率，不管這種激勵(lì)頻率是外力固有的，還是由于閘門(mén)結(jié)構(gòu)與水流發(fā)生耦合而次生的，都將導(dǎo)致閘門(mén)發(fā)生共振，如果振幅達(dá)到很大值，還將使閘門(mén)整體或局部發(fā)生強(qiáng)烈振動(dòng)，在閘門(mén)結(jié)構(gòu)內(nèi)出現(xiàn)不平常的應(yīng)力和應(yīng)變，使閘門(mén)受到損害，甚至影響建筑物安全穩(wěn)定[67]。

鑒于此，選取南水北調(diào)中線(xiàn)典型閘門(mén)——蒲陽(yáng)河倒虹吸出口節(jié)制閘開(kāi)展閘門(mén)振動(dòng)響應(yīng)原型觀(guān)測(cè)，測(cè)量不同小開(kāi)度運(yùn)行條件下閘門(mén)的振動(dòng)應(yīng)力、振動(dòng)加速度和振動(dòng)位移等動(dòng)態(tài)特性[89]，選取合理的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則進(jìn)行閘門(mén)振動(dòng)安全評(píng)價(jià)，為制定科學(xué)合理的調(diào)度運(yùn)行規(guī)程，保證閘門(mén)安全運(yùn)行提供依據(jù)。

1 閘門(mén)振動(dòng)觀(guān)測(cè)內(nèi)容和方法

1.1 觀(guān)測(cè)內(nèi)容

河北段蒲陽(yáng)河倒虹吸出口節(jié)制閘建筑物設(shè)有3孔閘門(mén)，閘孔單寬b=6.0 m，下游渠道寬度B=204 m，門(mén)軸高度P=88 m，弧門(mén)半徑R=100 m，閘前渠底高程64266 m，閘后渠底高程6414 m，設(shè)計(jì)輸水流量1350 m3/s。冬季觀(guān)測(cè)期間運(yùn)行流量473 m3/s，占設(shè)計(jì)流量的35%，閘門(mén)處于小開(kāi)度運(yùn)行狀態(tài)。為避免閘門(mén)不對(duì)稱(chēng)開(kāi)啟產(chǎn)生的折沖水流、偏流、回流等不利流態(tài)對(duì)渠道運(yùn)行的影響，選取中間2號(hào)閘門(mén)進(jìn)行振動(dòng)響應(yīng)觀(guān)測(cè)，主要觀(guān)測(cè)的內(nèi)容包括：振動(dòng)應(yīng)力、振動(dòng)加速度和振動(dòng)位移。

1.2 觀(guān)測(cè)方法

振動(dòng)響應(yīng)測(cè)點(diǎn)布置主要考察結(jié)構(gòu)受力最大和變形較大的區(qū)域，以及閘門(mén)面板和支臂剛度薄弱區(qū)[1011]，具體見(jiàn)表1和圖2。具體觀(guān)測(cè)方法如下。

（1）振動(dòng)應(yīng)力。振動(dòng)應(yīng)力的觀(guān)測(cè)采用高性能貼片式電阻應(yīng)變計(jì)（靈敏系數(shù)為214），二次儀表采用日本TML的SDA810型高分辨率動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀（分辨率為01 με）。測(cè)得應(yīng)變之后根據(jù)胡克定律σ=E[KG-*9]ε（其中：σ為應(yīng)力；E為彈性模量，鋼材的彈性模量E=206×105 MPa；ε為應(yīng)變）來(lái)推算其動(dòng)應(yīng)力。

（2）振動(dòng)加速度和振動(dòng)位移。振動(dòng)加速度和振動(dòng)位移的測(cè)試采用耐壓防水的三軸振動(dòng)加速度傳感器，分別測(cè)量徑向（沿弧門(mén)支臂方向）、切向（沿弧形面板切線(xiàn)方向）及橫向（垂直于徑向和切向平面）的振動(dòng)加速度，振動(dòng)位移通過(guò)對(duì)加速度信號(hào)經(jīng)電荷放大器二次積分所得。測(cè)試傳感器采用測(cè)量信號(hào)質(zhì)量好、噪聲小、抗外界干擾能力強(qiáng)和傳輸距離遠(yuǎn)的CAYD132型高靈敏度壓電式加速度傳感器（靈敏度為200 PC/ms2），二次儀表采用丹麥B & K的2692型雙積分電荷放大器進(jìn)行信號(hào)放大。

傳感器信號(hào)處理采用東方振動(dòng)與噪聲技術(shù)所的INV306D（M）E智能信號(hào)采集系統(tǒng)，試驗(yàn)采樣頻率為200 Hz。閘門(mén)振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3，傳感器現(xiàn)場(chǎng)安裝照片見(jiàn)圖4，所有傳感器均須進(jìn)行防水、防潮處理，信號(hào)電纜采用水下專(zhuān)用的多芯屏蔽電纜，防止意外因素導(dǎo)致傳感器損毀和失效，確保試驗(yàn)順利進(jìn)行。

2 安全評(píng)價(jià)依據(jù)

弧形閘門(mén)流激振動(dòng)是一個(gè)復(fù)雜的流固耦合問(wèn)題，研究弧形閘門(mén)的流激振動(dòng)最終目的是為了保證閘門(mén)的安全運(yùn)行，制定閘門(mén)適宜的安全開(kāi)度運(yùn)行范圍和操作規(guī)程。閘門(mén)振動(dòng)特性測(cè)量出來(lái)后，如何判斷結(jié)構(gòu)的危害程度，即關(guān)于閘門(mén)振動(dòng)的安全性評(píng)價(jià)問(wèn)題，目前還沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。

2.1 以振動(dòng)應(yīng)力作為標(biāo)準(zhǔn)

我國(guó)《水利水電工程鋼閘門(mén)設(shè)計(jì)規(guī)范SL 742013》[12]建議，對(duì)于經(jīng)常局部開(kāi)啟的工作閘門(mén)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮動(dòng)力荷載，其動(dòng)力荷載設(shè)計(jì)的動(dòng)力系數(shù)上限一般不超過(guò)12，另外，金屬構(gòu)件的局部振動(dòng)應(yīng)力也要求不大于允許應(yīng)力的20%。因此，可以認(rèn)為鋼閘門(mén)的動(dòng)應(yīng)力應(yīng)小于材料允許應(yīng)力的20%，鋼材的允許應(yīng)力通常在160 MPa左右，則其動(dòng)應(yīng)力應(yīng)小于32 MPa。

2.2 以振動(dòng)位移作為標(biāo)準(zhǔn)

美國(guó)陸軍工程師團(tuán)在阿肯色河（Arkansas River）弧形閘門(mén)振動(dòng)測(cè)試中以振動(dòng)位移的均方根值來(lái)劃分閘門(mén)振動(dòng)的危害程度[13]，見(jiàn)表2。

2.3 以振動(dòng)位移（振幅）和頻率的綜合效應(yīng)作為標(biāo)準(zhǔn)。

德國(guó)的K.Petrikat[1415]認(rèn)為振動(dòng)的危害程度取決于振幅和頻率的綜合效應(yīng)，以橫坐標(biāo)為頻率、縱坐標(biāo)為振幅在對(duì)數(shù)坐標(biāo)軸上將危害程度劃分為穩(wěn)定、尚穩(wěn)定、可以允許的、稍不穩(wěn)定的、不穩(wěn)定和很不穩(wěn)定6個(gè)區(qū)間，并給出安全臨界振幅A和頻率f的函數(shù)表達(dá)式：

lgA<（3.14-116 lgf） （1）

式中：A為安全臨界振幅（μm）；f為頻率（Hz）。振動(dòng)頻率越高，相應(yīng)的安全臨界振幅越小。

以上允許振動(dòng)位移（振幅）和應(yīng)力是振動(dòng)安全度的下限，超過(guò)允許值并不意味著閘門(mén)結(jié)構(gòu)的破壞，而是意味著振動(dòng)可能帶來(lái)不安全，必須對(duì)閘門(mén)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力計(jì)算校核，并采取相應(yīng)的預(yù)防措施。

3 小開(kāi)度運(yùn)行振動(dòng)響應(yīng)特性及安全評(píng)價(jià)

3.1 觀(guān)測(cè)工況

觀(guān)測(cè)過(guò)程中調(diào)節(jié)中間2號(hào)閘門(mén)開(kāi)度e分別為199 mm、398 mm、606 mm、799 mm、1 000 mm，開(kāi) 度間隔約200 mm，測(cè)量不同開(kāi)度下的振動(dòng)應(yīng)力、振動(dòng)加速度和振動(dòng)位移，同步記錄各工況的上下游水位和閘門(mén)開(kāi)度，計(jì)算相應(yīng)的過(guò)閘流量，具體工況見(jiàn)表3。

3.2 振動(dòng)特性及安全評(píng)價(jià)

分別采用上述3種評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)蒲陽(yáng)河節(jié)制閘結(jié)構(gòu)振動(dòng)進(jìn)行安全評(píng)價(jià)。

（1）以振動(dòng)應(yīng)力進(jìn)行評(píng)判。圖5為各測(cè)點(diǎn)的動(dòng)應(yīng)力隨閘門(mén)開(kāi)度的變化規(guī)律。動(dòng)應(yīng)力均方根值范圍為018～038 MPa，最大幅值范圍為071～133 MPa，最大動(dòng)應(yīng)力133 MPa發(fā)生在閘門(mén)開(kāi)度e=10 m的Y3測(cè)點(diǎn)（上支臂）；開(kāi)度大于800 mm振動(dòng)應(yīng)力增幅明顯。以動(dòng)應(yīng)力作為安全評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，小開(kāi)度條件下各測(cè)點(diǎn)的動(dòng)應(yīng)力均較小，最大動(dòng)應(yīng)力133 MPa不足允許動(dòng)應(yīng)力32 MPa的5%，閘門(mén)結(jié)構(gòu)在水動(dòng)力荷載作用下是安全的。

（2）以振動(dòng)位移進(jìn)行評(píng)判。圖6為各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)位移隨閘門(mén)開(kāi)度的變化規(guī)律。閘門(mén)振動(dòng)的橫向位移最大，切向次之，徑向最??；開(kāi)度e=400 mm橫向位移最小，此后橫向位移隨著閘門(mén)開(kāi)度的增大而增大；橫向位移均方根的最大值為1597 μm，發(fā)生在閘門(mén)開(kāi)度e=10 m的J1測(cè)點(diǎn)（主橫梁中部）。以振動(dòng)位移作為安全評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)小開(kāi)度條件下，振動(dòng)位移最大值1597 μm<508 μm，依據(jù)美國(guó)陸軍工程師團(tuán)的評(píng)判準(zhǔn)則，閘門(mén)振動(dòng)危害程度可忽略不計(jì)。

（3）以振動(dòng)位移（振幅）和頻率的綜合效應(yīng)進(jìn)行評(píng)判。試驗(yàn)小開(kāi)度條件下，閘門(mén)振動(dòng)位移的頻率范圍為0～4 Hz，峰值頻率集中在07 Hz附近，為低頻強(qiáng)迫振動(dòng)，圖7為閘門(mén)開(kāi)度10 m各測(cè)點(diǎn)橫向位移的時(shí)域和頻域響應(yīng)特性。表4為橫向振幅A與相應(yīng)頻率f的綜合效應(yīng)關(guān)系，所有測(cè)試工況均滿(mǎn)足lgA<（314-116 lgf） ，閘門(mén)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

4 結(jié)論

南水北調(diào)中線(xiàn)小開(kāi)度運(yùn)行條件下閘門(mén)振動(dòng)的安全性是南水北調(diào)專(zhuān)家委和工程運(yùn)行管理人員所關(guān)注的問(wèn)題之一。通過(guò)對(duì)中線(xiàn)蒲陽(yáng)河典型節(jié)制閘開(kāi)展小開(kāi)度條件下閘門(mén)振動(dòng)原型觀(guān)測(cè)，分別采用動(dòng)應(yīng)力、振動(dòng)位移和頻率等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行安全評(píng)價(jià)，結(jié)果表明：（1）[CM（22]以動(dòng)應(yīng)力作為安全評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，閘門(mén)最大動(dòng)應(yīng)力為

133 MPa，遠(yuǎn)小于材料允許應(yīng)力的20%（約32 MPa），閘門(mén)結(jié)構(gòu)安全；（2）以振動(dòng)位移作為安全評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，最大振動(dòng)位移1597 μm，小于美國(guó)陸軍工程師團(tuán)閘門(mén)振動(dòng)危害程度可忽略不計(jì)的上限508 μm；（3）以振幅和頻率的綜合效應(yīng)作為安全評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，所有測(cè)試工況的安全臨界振幅與頻率均滿(mǎn)足lgA<（314-116 lgf），閘門(mén)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。上述三種評(píng)價(jià)準(zhǔn)則的判定結(jié)果一致，因此，南水北調(diào)中線(xiàn)閘門(mén)小開(kāi)度淹沒(méi)出流條件下，閘后淹沒(méi)水躍引起的閘門(mén)振動(dòng)危害可忽略，閘門(mén)結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定。

考慮到閘門(mén)振動(dòng)原因的復(fù)雜性（例如，閘門(mén)在相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)運(yùn)行正常，以后由于零件的磨損、材料腐蝕、安裝時(shí)遺留的缺陷、水頭和流量的變化等原因，閘門(mén)振動(dòng)才嚴(yán)重起來(lái)），建議南水北調(diào)中線(xiàn)工程運(yùn)行中繼續(xù)加強(qiáng)閘門(mén)振動(dòng)的安全監(jiān)測(cè)。

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